腹主动脉瘤流固耦合分析

背景：

腹主动脉瘤（abdominal aortic aneurysm, AAA）是一种严重威胁老年人健康的非自限性疾病，起病隐匿、死亡率高。迄今无完整诊断体系能够预测AAA的破裂风险，寻找并制定出完整体系预测AAA破例风险，及时准确干预AAA的演进、破裂成为目前研究中的重要方向。目前主动脉腔内隔绝术及血管置换手术是干预AAA的重要手段。临床以AAA的几何尺寸即AAA瘤体的最大直径≥5.5cm或年生长率≥1cm时为标准进行相关干预。但有学者持有反对意见，认为与没有进行手术的病人相比，以此标准进行手术干预，并没有获得良好的预后^[1]。

从力学的角度分析AAA的破裂因素，设计血流动力学和生物力学两个方面。血液流动参与了血管生理环境的调控，因此AAA分析离不开血流动力学参数，而这些参数的获取可以借助计算流体力学(computational fluid dynamic, CFD)技术。另一方面，动脉瘤破裂的直接原因是血管内部应力大于细胞间相互连接的力，为了获取血管内部应力，可以借助有限元分析(finite element analysis, FEA)。单纯的CFD分析中没有考虑到血管的顺应性，忽略了一个心动周期内血管的形变及其对血液流动的影响；单纯的FEA分析忽略了血压分布的不均匀性，每个位置设置的载荷都是相同的；为了弥补这些缺陷，我们提出使用流固耦合(fluid-structure interaction)模拟，同时模拟AAA的内部流场和血管壁内应力分布，得到更合理的血流动力学参数和血管壁内应力分布。

方法：

从医学图像中提取腹主动脉瘤及其上下游血管的几何模型，模型包括血管内膜和血管外膜。封闭血管内膜，则其内部空间为流体域，空间内部为血液；组合血管内膜与外膜，则两个面之间包裹的空间为固体域，空间内部为血管壁细胞。血液设为非牛顿流体，设置恒定的密度和黏度；血管壁设为是超弹性材料，通过设置应变能密度函数反映血管壁的材料属性，血管壁密度约为血液密度的两倍。设置流体域的边界条件，入口为速度边界，出口为压力边界，血管壁内膜设为交接面，根据FEA分析返回的位移信息更新网格节点坐标；设置固体与的边界条件，血管出口端和入口端的位移都设为0，血管内膜设为交接面，以CFD计算返回的压力分布作为载荷。最后输出应力分布用作分析动脉瘤的破裂风险，而流场信息则可以用于分析动脉瘤的其他并发症，通过流线和壁面剪切应力的分布可以分析发生血栓的风险。

结果：

应力分布结果，包括第一主应力，第二主应力和von Mises应力：

流场结果，包括流线，压力和壁面剪切应力：

参考文献：

1. The United Kingdom Small Aneurysm Trial Participants. Longterm outcomes of immediate repair compared with surveillance of small abdominal aortic aneurysms. N Eng J Med 2002;346:1445-1452.